Предложено решение одной из острейших проблем регенеративной медицины – поддержание жизни в тканевом имплантате при выращивании в лаборатории. Миниатюрная 3D-сеть микроканалов для попадания крови из артерий к клеткам имплантата. Входной и выходной каналы имеют диаметр ~1 мм, а многочисленные мелкие искусственные сосуды – от 600 до 800 мкм. Разноцветные линии обозначают различную скорость потока, которая на входе составляет 0,12 мл/мин.

Представлена инновационная структура из микроканалов, имитирующих кровеносные сосуды, как решение одной из острейших проблем регенеративной медицины – доставки кислорода и питательных веществ ко всем клеткам искусственного органа или ткани, выращиваемых в лаборатории перед трансплантацией. Планируется, что этот процесс должен проходить в течение дней и даже недель.

Работа проведена под руководством Джордана Миллера, доцента биоинженерии из Университета Райса (США), и Пэйвана Атлури, доцента хирургии из Университета штата Пенсильвания (США).

Остаться в живых…

Миллер рассказал, что одним из препятствий для создания объемных искусственных тканей и органов, таких, как почки и печень, является поддержание жизни клеток в их толще. Обычно рассчитывают на способность организма самостоятельно выращивать кровеносные сосуды, трансплантируя каркасные структуры созданных органов и ожидая, пока ветвящиеся кровеносные сосуды распространятся из окружающих тканей внутрь имплантата.

Однако данный процесс может занять недели, и клетки глубоко внутри органа часто погибают от недостатка кислорода и питательных веществ до того, как до них успевают добраться медленно растущие кровеносные сосуды.

"Для трансплантации хирургу нужна не просто масса клеток, а структура с каналами для входа и выхода крови, которые можно пришить к артериям и венам", – сообщает Миллер.

3D-печать сложной сети капиллярных каналов: вдохновение из кондитерской

"Мы задались вопросом: удастся ли получить такую 3D-конструкцию, к которой мы могли бы сразу присоединить артерии и обеспечить кровоток? Сейчас мы делаем первый шаг к применению лабораторной 3D-печати в трансплантационной хирургии".

Вдохновленный сложными трехмерными узорами из сахарного стекла, которые кондитеры создают для украшения десертов, еще в 2012 году Миллер предложил новый способ решения старой проблемы.

Печать и создание структуры с микроканалами.

А. Головка принтера печатает конструкцию из сахарного стекла.

В. Готовая структура перед отливкой: сеть волокон в поддерживающей ячейке, которую затем зальют специальным гелем по края, обозначенные красной линией.

С. Схема напечатанной сети каналов. Слева волокна сразу после печати, справа – с подрезанными волокнами перед отливкой.

D. Готовая силиконовая структура с сетью микроканалов.

Используя 3D-принтер для послойной укладки отдельных волокон сахарного стекла, ученые напечатали сеть будущих сосудов. После застывания сахара конструкцию поместили в форму с силиконовым гелем. Подождав, пока затвердеет гель, сахар растворили, получив систему узких каналов в силиконе.

"Пока они не выглядят как кровеносные сосуды, но у них уже есть некоторые ключевые свойства, важные для успешной трансплантации, – говорит Миллер. – Мы создали конструкцию, у которой есть входной и выходной каналы диаметром 1 мм, ветвящиеся на множество мелких, от 600 до 800 микрон диаметром, сосудов".

Кровоток в системе: проверка хирургами

На следующем этапе группа Атлури в Пенне хирургическим путем присоединила вход и выход конструкции к бедренной артерии живой крысы. Затем регистрировали кровоток в структуре и выяснили, что конструкция выдерживает физиологическое давление, а кровь свободно течет по каналам вплоть до трех часов.

"Наша работа – это первый шаг к получению искусственного органа, к которому хирург сможет прямо присоединять артерии, – говорит Миллер. – В дальнейшем мы планируем использовать конструкции из биоразлагаемого материала, где живые клетки будут соседствовать с проницаемыми сосудами".

Резюме

Тканевая инженерия приблизилась к разработке биосовместимых материалов, имитирующих внеклеточный матрикс ткани с сосудами. Однако в большинстве работ рассчитывают на многодневное срастание искусственных сосудов с сосудами организма, а не на непосредственное их соединение. Ранее мы продемонстрировали, что быстрая 3D-печать временной конструкции из углеводного "стекла" – быстрый и надежный способ получения каркасной структуры с трехмерной сетью микрососудов. Cистему соединили с бедренной артерией крысы in vivo. Кровоток задней конечности наблюдали в течение нескольких часов после имплантации, таким образом была измерена проходимость сосудов имплантата, сообщающихся с бедренной артерией. Исследование предлагает подход к решению задачи быстрой доставки кислорода и питательных веществ клеткам имплантата in vivo.